《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第5版》 課件 第3章 集成邏輯門電路 完整版

第3章集成邏輯門電路目錄3.1概述3.2半導(dǎo)體二極管門電路3.3

TTL集成門電路3.4

CMOS門電路3.5各類邏輯門的性能比較3.6不同類型數(shù)字集成電路的接口23.1概述用來實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路稱為門電路。常用的門電路有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。從制造工藝方面來分類，數(shù)字集成電路可分為雙極型、單極型和混合型三類。正邏輯、負(fù)邏輯3一、半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用半電體材料為硅（Si）和鍺（Ge），四價(jià)元素半導(dǎo)體具有特殊性質(zhì)：光敏特性、熱敏特性及摻雜特性等3.2.1半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)4把純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。

硅原子價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半導(dǎo)體5+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合成對(duì)出現(xiàn)成對(duì)消失本征激發(fā)和復(fù)合本征半導(dǎo)體中的兩種載流子電子和空穴1.本征半導(dǎo)體6+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場(chǎng)方向空穴移動(dòng)方向

電子移動(dòng)方向

在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電形成兩種電流：電子電流，空穴電流價(jià)電子填補(bǔ)空穴1.本征半導(dǎo)體7+4+4+4+4+4+4+4+42.雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價(jià)元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。

磷原子+4+5多余價(jià)電子自由電子正離子N型半導(dǎo)體8

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子（多子）,空穴是少數(shù)載流子（少子），但仍是電中性2.雜質(zhì)半導(dǎo)體9+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

+4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子2.雜質(zhì)半導(dǎo)體10電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）P型半導(dǎo)體111.

PN結(jié)的形成在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,在這兩種半導(dǎo)體的交界處就形成了一個(gè)PN結(jié)。二、PN結(jié)多子擴(kuò)散少子漂移內(nèi)電場(chǎng)方向空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)12

由于載流子的濃度差，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這種由于濃度差引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，這個(gè)不能移動(dòng)的電荷區(qū)叫空間電荷區(qū)。因沒有載流子，也叫耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、阻擋層。1.

PN結(jié)的形成二、PN結(jié)13

由空間電荷區(qū)產(chǎn)生的、方向?yàn)镹區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)阻礙了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，即N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。

當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流等于漂移電流且方向相反，PN結(jié)中電流為零，PN結(jié)寬度及電位差Uho為恒定值。硅：（0.6～0.8）V；鍺：（0.1～0.3）V。1.

PN結(jié)的形成二、PN結(jié)硅：0.7V；鍺：0.2

V14內(nèi)電場(chǎng)方向2.

PN結(jié)的特性（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)在不同極性的外加電壓作用時(shí)，其導(dǎo)電能力有顯著差異。15內(nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RIP區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流I外加正向電壓(正偏)（P端接電源正極）PN結(jié)兩端不能直接接電源兩端（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?6P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場(chǎng)方向IRII外加反向電壓(反偏)（N端接電源正極）少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?7PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置時(shí)靠多子導(dǎo)電，產(chǎn)生的正向電流數(shù)值較大，此時(shí)容易導(dǎo)電；PN結(jié)反向偏置時(shí)靠少子導(dǎo)電，產(chǎn)生的反向電流數(shù)值很小，幾乎不導(dǎo)電。18（2）PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式I/mAU/VI為流過PN結(jié)的電流，U為PN結(jié)兩端的外加電壓。Is為反向飽和電流，UT為“溫度電壓當(dāng)量”，常溫時(shí)，UT≈26mVPN結(jié)的伏安特性是指PN結(jié)兩端的外加電壓與流過PN結(jié)的電流之間的關(guān)系曲線。19PN加正向電壓，且U

>>UT時(shí)，PN加反向電壓，且

U

>>UT時(shí)，I/mAU/V（2）PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式20（3）PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)PN結(jié)反向電壓超過一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電

雪崩擊穿2.齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，可能會(huì)發(fā)生反向擊穿。要保證PN結(jié)不因電流過大產(chǎn)生過熱而損壞。當(dāng)反向電壓下降到擊穿電壓（絕對(duì)值）以下時(shí)，PN結(jié)的性能便可恢復(fù)擊穿前狀態(tài)。21PN結(jié)電容勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容（4）PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)除有單向?qū)щ娦酝?，還有電容效應(yīng)?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)223.2.2半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性

1.二極管的符號(hào)正極-P極負(fù)極-N極232.二極管的伏安特性600400200–0.1–0.200.40.7–50–100二極管/硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性反向特性反向擊穿特性24二極管（PN結(jié)）的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)外加正偏電壓（P端接電源正極，N端接電源負(fù)極）時(shí)，形成較大的正向電流，PN結(jié)呈現(xiàn)較小的正向電阻；外加反偏電壓時(shí)，反向電流很小，PN結(jié)呈現(xiàn)很大的反向電阻。2.二極管的伏安特性-二極管的單向?qū)щ娦哉龢O-P極負(fù)極-N極25263.二極管等效電路導(dǎo)通電壓VON硅管取0.7V鍺管取0.2V結(jié)論：只有當(dāng)外加正向電壓（P極電壓大于N極電壓）大于VON

(硅管0.7V）時(shí)，二極管才導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通后具有電壓箝位作用。27284.二極管的動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)情況下，亦即加到二極管兩端的電壓突然反向時(shí)，電流的變化過程如圖所示。29因?yàn)榘雽?dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，即外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止，所以它相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。5.

半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性VCC=5V當(dāng)vI為高電平VIH時(shí)，VD可能截止，可能導(dǎo)通，vO為高電平：VCC或者VIH+VON。當(dāng)vI為低電平VIL時(shí)，VD導(dǎo)通，vO=VIL+VON，為低電平。5.

半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性303.2.3二極管與門電路二極管與門電路及邏輯符號(hào)與門真值表313.2.4二極管或門電路二極管或門電路及邏輯符號(hào)或門真值表32在同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，三個(gè)區(qū)分別叫發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。引出的三個(gè)電極分別為：發(fā)射極e、基極b和集電極c?；鶇^(qū)和集電區(qū)形成集電結(jié)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)形成發(fā)射結(jié)。3.3.1雙極型晶體管1.基本結(jié)構(gòu)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP33集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極c基極b發(fā)射極ePecb符號(hào)

按照摻雜方式的不同分為NPN型和PNP型兩種類型NPN型3.3.1雙極型晶體管箭頭方向：PN結(jié)正偏方向34集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)PP集電極c基極b發(fā)射極eNecb符號(hào)PNP型351.基本結(jié)構(gòu)（1）兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）均無外加電壓載流子運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)平衡，凈電流為零（2）發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓

（e結(jié)正偏，c結(jié)反偏：放大區(qū)）2.晶體管中的電流控制作用（以NPN型為例說明）36PNNRBRCVBBVCC發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)EN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子產(chǎn)生流出發(fā)射極電流IEN電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合電源正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBNIBN集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICNICNIEPICBO37（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子發(fā)射區(qū)的多子電子擴(kuò)散到基區(qū)，形成流出發(fā)射極的電流IEN；基區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，形成流出發(fā)射極的電流IEP。發(fā)射極電流：IE=IEN+IEP38NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用（2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合發(fā)射區(qū)的電子發(fā)射到基區(qū)后，少量的被復(fù)合，形成流入基區(qū)電流IBN；基區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，VBB電源拉走電子，形成流入基極的電流IEP；集電結(jié)反偏形成流出基極的飽和電流ICBO?；鶚O電流：IB=IBN+IEP

-

ICBO39NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用（3）電子被集電極收集由于集電結(jié)反偏，發(fā)射到基區(qū)的大量電子被集電極收集，形成流入集電極電流ICN；集電結(jié)反偏形成流入集電極的飽和電流ICBO。集電極電流：IC=ICN+ICBO402.晶體管的電流控制作用NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC推導(dǎo)可得:三個(gè)極的電流關(guān)系41NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用ecb422.晶體管的電流控制作用雙極型三極管實(shí)現(xiàn)電流放大或控制的條件（１）內(nèi)因晶體管結(jié)構(gòu)上的保證：三個(gè)濃度不同的摻雜區(qū)、基區(qū)薄，摻雜濃度低；集電結(jié)面積大。（２）外因外加直流電源保證：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。432.晶體管的電流控制作用根據(jù)材料分為硅管和鍺管；根據(jù)三個(gè)區(qū)的摻雜方式分為NPN和PNP；根據(jù)使用的頻率范圍分為低頻管和高頻管；根據(jù)允許的功率損耗分為小功率管、中功率管和大功率管443.晶體管類型4.共射接法晶體管的特性曲線

(以NPN管共射接法為例）公共端共射極45（1）輸入特性曲線（2）輸出特性曲線輸入回路輸出回路（1）輸入特性曲線輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性類似；數(shù)字電路應(yīng)用分析時(shí)，如果輸入端加入高電平，則管子導(dǎo)通，并且具有電壓箝位的作用；否則截止。4.共射接法晶體管的特性曲線

(以NPN管共射接法為例）

46截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏iB≈0集電結(jié)反偏I(xiàn)CEO≤1μA截止，開關(guān)斷開iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線截止區(qū)47iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏iC

=

iB用于放大(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線放大區(qū)48iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏VCES

≈0.3V導(dǎo)通，開關(guān)閉合(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線飽和區(qū)4950三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū)放大區(qū)：iC=

·iB飽和區(qū)：VCES=0.3V截止區(qū)：ICEO≤1μAiC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA515.雙極型三極管的開關(guān)電路用NPN型三極管取代下圖中的開關(guān)S，就得到了三極管開關(guān)電路。52當(dāng)vI為低電平時(shí)，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)（截止區(qū)），輸出高電平vO

VCC

。當(dāng)vI為高電平時(shí)，三極管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)（飽和區(qū)），輸出低電平vOL（VCES

）。5.雙極型三極管的開關(guān)電路三極管相當(dāng)一個(gè)受vI控制的開關(guān)6.三極管非門電路由三極管開關(guān)電路組成的最簡(jiǎn)單的門電路就是非門電路（反相器）。當(dāng)輸入A為低電平時(shí)，三極管截止，F(xiàn)輸出為高電平；當(dāng)輸入A為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸F為低電平。實(shí)現(xiàn)了邏輯非功能。533.2.3二極管與門電路二極管與門電路及邏輯符號(hào)與門真值表543.2.4二極管或門電路二極管或門電路及邏輯符號(hào)或門真值表555.二極管－三極管門電路

(1)與非門電路將二極管與門的輸出與三極管非門的輸入連接，便構(gòu)成了二極管－三極管與非門電路。F15657（2）或非門電路將二極管或門的輸出與三極管非門的輸入連接，便構(gòu)成了二極管－三極管或非門電路。583.2.4TTL反相器1.電路結(jié)構(gòu)輸入級(jí)VT1、R1倒相級(jí)VT2、R2

、R3輸出級(jí)VT4、VT5、VD2

、R4保護(hù)二極管:VD1592.工作原理當(dāng)A為低電平時(shí)，

vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VVT2、VT5截止

VT4、VD3導(dǎo)通vo=VCC–VR2–

Vbe4–VVD3

5–0.7–0.7=3.6VF=1(高電平）較小設(shè)PN結(jié)導(dǎo)通電壓為0.7V電源電壓VCC=5V三極管飽和壓降以及低電平為0.3V高電平為3.6V60vB1=2.1VvC2=1VvC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4、VD3同時(shí)導(dǎo)通VT5導(dǎo)通，VT4

、VD3截止，vo=0.3V,F=0

低電平2）當(dāng)輸入A為高電平3.6V時(shí)，VT2,VT5導(dǎo)通，三個(gè)PN結(jié)的箝位作用使vB1=2.1V，V1發(fā)射結(jié)反偏。vo=0.3V613.

TTL反相器的靜態(tài)特性（1）電壓傳輸特性

輸出電壓隨輸入電壓的變化特征曲線，叫做門電路的電壓傳輸特性。621)AB段當(dāng)vI<0.6V時(shí)，

VT2和VT5管都截止，VD2和VT4管導(dǎo)通，輸出為高電平。故段稱為電壓傳輸特性的截止區(qū)。632)BC段當(dāng)0.6V<vI<1.3V時(shí)，

VT2管開始導(dǎo)通，處于放大狀態(tài)，所以其集電極電壓vC2

和輸出電壓vO

隨輸入電壓的增高而線性下降，此時(shí)VT5管仍截止，此段稱為線性區(qū)。643)CD段當(dāng)1.3V<vI<1.4V時(shí)，VT5管由截止過渡到飽和導(dǎo)通，VT4管和VD2管開始截止，輸出急劇下降為低電平，vO=vces5=0.3V，故稱此段為轉(zhuǎn)折區(qū)D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓VTH

叫閾值電壓，VTH

1.4V。654）DE段當(dāng)vI大于1.4V以后，vb1被鉗位在2.1V，VT2和VT5管均飽和,vO=vces5=0.3V，故此段稱為飽和區(qū)。66從電壓傳輸特性上可以看反相器的三個(gè)主要參數(shù)：輸出高電平VOH≈3.6V，輸出低電平VOL≈0.3V；閾值電壓VTH≈1.4V。67（2）TTL反相器的噪聲容限門電路在使用中，其輸入端有時(shí)會(huì)受到雜散電磁場(chǎng)和其它環(huán)境干擾源的影響，當(dāng)上述噪聲電壓超過一定限度時(shí)，就會(huì)破壞輸出與輸入之間正常的邏輯關(guān)系，通常將不致影響輸出邏輯狀態(tài)時(shí)輸入端所允許的最大噪聲電壓，叫做門電路的噪聲容限。68圖3-24說明直流噪聲容限定義的示意圖69高電平的噪聲容限低電平的噪聲容限70（3）

輸入特性和輸出特性為了能正確使用門電路，必須了解其電氣特性，下面將分別討論TTL反相器的輸入特性和輸出特性。711）輸入特性約定vI和iI的方向如圖所示。把輸入電流iI與輸入電壓vI之間的關(guān)系曲線，叫做門電路的輸入特性曲線。+-iI72IISIILIIS：輸入短路電流。IIL:輸入低電平電流73VTHIIHIIH：輸入高電平電流（輸入漏電流）VTH：閾值電壓(1.4V)。742）輸出特性輸出電壓vO隨輸出負(fù)載電流的變化而變化的關(guān)系曲線，叫做輸出特性。輸出特性說明了電路帶負(fù)載的能力。由于邏輯門電路輸出可為高電平，也可為低電平，因此，輸出特性也應(yīng)分為輸出高電平時(shí)的輸出特性和輸出低電平時(shí)的輸出特性兩種情況來討論。75

①輸出高電平時(shí)的輸出特性當(dāng)反相器輸入低電平時(shí)，則VT2和VT5管都截止，VT4管和VD2管都導(dǎo)通，輸出為高電平。76負(fù)載電流由VT4管的發(fā)射極經(jīng)二極管VD2流入負(fù)載，故稱這類負(fù)載為拉電流負(fù)載。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)將這類門電路輸出高電平時(shí)的負(fù)載電流限制在400

A以內(nèi)。77②輸出低電平時(shí)的輸出特性當(dāng)反相器的輸入端為高電平時(shí)，VT2和VT5管都飽和導(dǎo)通，VT4管截止，輸出低電平。78由于輸出低電平時(shí)負(fù)載電流是由負(fù)載流入VT5管，故稱這類負(fù)載為灌電流負(fù)載。79空載時(shí)的輸出低電平常小于0.3V，帶有負(fù)載時(shí)的輸出低電平與VT5管的飽和電阻值有關(guān)，在環(huán)境溫度25

C時(shí)，VT5管的飽和電阻值約為8

左右，所以，隨著負(fù)載電流絕對(duì)值的增加，輸出低電平會(huì)稍有升高，iL通常小于12mA。與輸出特性有關(guān)的參數(shù)是：輸出高電平VOH

輸出高電平電流

IOH

輸出低電平

VOL

輸出低電平電流

IOL

扇出系數(shù)

NO8081(4)輸入負(fù)載特性當(dāng)用TTL反相器組成一些較復(fù)雜的邏輯電路時(shí)，有時(shí)需要在信號(hào)與輸入端或輸入端與地之間接一電阻。82TTL反相器輸入負(fù)載特性如圖所示。83開門電阻：為保證與非門輸出為額定低電平所允許的RI的最小阻值，定義為開門電阻，用RON表示，該阻值一般可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。一般取RON=2k

，當(dāng)RI>RON時(shí)認(rèn)為輸入為高電平，當(dāng)RI<<RON時(shí)認(rèn)為輸入為低電平。TTL反相器的輸入端懸空，相當(dāng)于在其輸入端接一個(gè)阻值為無窮大的電阻，也就是相當(dāng)于接高電平。(4)輸入負(fù)載特性為保證輸入低電平不超過輸入低電平的上限，對(duì)應(yīng)輸入負(fù)載電阻值為關(guān)門電阻ROFF。若取VIL(max)=0.8V，則ROFF=0.91k

。84853.3.5

TTL或非門和與非門二輸入或非門電路結(jié)構(gòu)圖或非門真值表1.或非門863.3.5

TTL或非門和與非門二輸入與非門電路結(jié)構(gòu)圖2.與非門873.3.5

TTL或非門和與非門二輸入與非門電路結(jié)構(gòu)圖與非門真值表2.與非門88門電路的扇出系數(shù)扇出系數(shù)NO的定義是：“一個(gè)門電路能驅(qū)動(dòng)與其同類門的個(gè)數(shù)”。它標(biāo)志著一個(gè)門電路的帶負(fù)載能力。89門電路的扇出系數(shù)計(jì)算扇出系數(shù)分為輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)及輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)，并取兩者較小的作為電路的扇出系數(shù)。90驅(qū)動(dòng)門，輸出高電平的最大負(fù)載電流為IOH驅(qū)動(dòng)門，輸出低電平的最大負(fù)載電流為IOL負(fù)載門，輸入端數(shù)為m負(fù)載門，輸入高電平時(shí)的漏電流為IIH負(fù)載門，輸入低電平的電流為IIL門電路的扇出系數(shù)911.反相器門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)高電平：IOH/IIH低電平：IOL/IIL922.與非門門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)高電平：IOH/

(mIIH)

低電平：IOL/IILVIL=0.3V①②933.或非門門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))1.反相器NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)門電路的扇出系數(shù)2.與非門NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)3.或非門NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))94953.3.6集電極開路門集電極開路門高電平低電平OC門：Open

Collector963.3.6集電極開路門集電極開路門OC門97多個(gè)OC門的輸出端并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)“線與”。98影響因素：并聯(lián)在一起的開路門（驅(qū)動(dòng)門）的個(gè)數(shù)n所接負(fù)載門的輸入端數(shù)m負(fù)載門的個(gè)數(shù)M線與輸出的邏輯狀態(tài)：高/低電平上拉電阻RL選擇nMm99（1）驅(qū)動(dòng)門輸出高電平RL的最大值RLmax當(dāng)驅(qū)動(dòng)門輸出高電平時(shí)，應(yīng)使得VOH

VOHmin負(fù)載門輸入端數(shù)驅(qū)動(dòng)門個(gè)數(shù)100（2）驅(qū)動(dòng)門輸出低電平RL的最小值RLmin當(dāng)驅(qū)動(dòng)門輸出低電平時(shí)，應(yīng)使得VOL

VOLmax負(fù)載門數(shù)上拉電阻RL的取值101【例3-1】三個(gè)集電極開路門組成線與輸出電路，TTL反相器和與非門作為負(fù)載，其電路連接如左圖所示。設(shè)線與輸出的高電平VOHmin=3.0V，每個(gè)OC門截止時(shí)其輸出管VT5流入的漏電流IOH=2uA；在滿足VOL

0.4V的條件下，驅(qū)動(dòng)管VT5飽和導(dǎo)通時(shí)所允許的最大灌電流IOLmax=16mA。負(fù)載門的輸入特性如右圖所示。

試確定線與輸出時(shí)的上拉電阻RL的取值情況，已知V’CC=VCC=5V。1023.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值解：上拉電阻取值范圍1033.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值IOLmax=16mAV‘CC=VCC=5VVOHmin=3.0VIOH=2uAVOLmax=0.4V由輸入特性可得IIH=40A1040.43.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值VOLmax=0.4VIIL=-1.5mA解：上拉電阻取值范圍1053.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值M：負(fù)載門的數(shù)目M：3m：負(fù)載門的輸入端數(shù)m：6n：驅(qū)動(dòng)門的數(shù)目n：4解：上拉電阻取值范圍3.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值根據(jù)以上計(jì)算，0.4k

RL8.1k，故可選2k106解：上拉電阻取值范圍3.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值如果用4IOLmax，則RLmin為80

，那么當(dāng)只有一個(gè)輸出為低電平時(shí)，流入該門的電流I’OL

61mA>IOLmax(16mA)1071083.3.7三態(tài)門三態(tài)門電路及邏輯符號(hào)三態(tài)門：TS門，Three-State-Logic

使能端高電平有效109EN=1，使能有效時(shí)，附加電路不影響輸出。電路功能為與非門。3.3.7三態(tài)門F1F21110EN=0，使能無效時(shí),V4、V5均截止，電路輸出為高阻狀態(tài)3.3.7三態(tài)門F1F2使能端高電平有效1V1V111使能端低電平有效3.3.7三態(tài)門使能端高電平有效1123.3.7三態(tài)門利用三態(tài)門構(gòu)成總線系統(tǒng)XX1133.3.7三態(tài)門利用三態(tài)門構(gòu)成總線系統(tǒng)1143.4.1

MOS管場(chǎng)效應(yīng)管（Field

Effect

Transistor，F(xiàn)ET）：是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，為電壓控制電流源。按結(jié)構(gòu)不同分為：結(jié)型(JFET)

絕緣柵型(IGFET)，MOS管按導(dǎo)電溝通類型不同分為：N溝道和P溝道按上電時(shí)導(dǎo)電溝道是否存在分為：耗盡型和增強(qiáng)型1153.4.1

MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS管源極s漏極d柵極g1.結(jié)構(gòu)116D與S之間是兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。1)VGS=03.4.1

MOS管2.工作原理X117導(dǎo)電溝道—N型半導(dǎo)體2)vGS>

03.4.1

MOS管2.工作原理N型半導(dǎo)體N溝道增強(qiáng)型MOS管118開啟電壓VTH：剛剛開始出現(xiàn)N溝道或者是產(chǎn)生漏極電流時(shí)的vGSNMOS管，VTNPMOS管，VTP2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理119可變電阻區(qū)：vGS>VTH，vGD>VTH（vGD=vGS

–vDS）2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS120飽和區(qū)：vGS>VTH，vGD<VTH2)VGS>

0，VGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS121截止區(qū)（又稱夾斷區(qū)）

vGS<VTH(2)

可變電阻區(qū)

vGD>VTH，vGD>VTH(3)

飽和區(qū)

vGD>VTH，vGD<VTH3.4.1

MOS管3.增強(qiáng)型NMOS管輸出特性曲線截止區(qū)（又稱夾斷區(qū)）可變電阻區(qū)飽和區(qū)vGSvDSiD1223.4.2

MOS管的開關(guān)特性MOS管的開關(guān)特性NMOS反相器vI為低電平：MOS管工作在截止區(qū)，輸出vO為高電平。vI為高電平：MOS管工作在可變電阻區(qū)，輸出vO為低電平。123CMOS反相器由NMOS管和PMOS管組合而成。3.4.3

CMOS反相器1.電路結(jié)構(gòu)MOS管導(dǎo)通條件：|VGS|>|VTH|1243.4.3

CMOS反相器CMOS反相器當(dāng)輸入低電平時(shí)，輸出高電平；當(dāng)輸入高電平時(shí)，輸出低電平。0X1由于CMOS反相器工作時(shí)，總是只有一個(gè)管子導(dǎo)通，而另一個(gè)管子截止，故通常稱之為互補(bǔ)式工作方式，因而把這種電路CMOS(Complementary-MOS)電路。125

用以描述COMS反相器輸出電量與輸入電量之間關(guān)系的特性曲線，稱為傳輸特性。輸出電壓vO隨輸入電壓vI

的變化而變化的關(guān)系曲線，叫做電壓傳輸特性。電源流入反相器的功耗電流ID與輸入電壓vI之間的關(guān)系曲線，叫做電流傳輸特性。3.4.3

CMOS反相器2.傳輸特性126（1）CMOS反相器的電壓傳輸特性AB段vI<VTN，VN管截止，而|vGSP|=|vI-VDD|>|VTP|，VP管導(dǎo)通，輸出為高電平。3.4.3

CMOS反相器

設(shè)CMOS反相器的電源電壓

VDD>VTN+|VTP|127（1）CMOS反相器的電壓傳輸特性BC段vI>VTN，VN管開始導(dǎo)通，但vO下降不多，而|vGSP|>|VTP|，VP管導(dǎo)通，輸出為高電平。CD段vI>VTN，VN和VP管都工作在放大區(qū)，vO隨vI增加而快速下降3.4.3

CMOS反相器128（1）CMOS反相器的電壓傳輸特性DE段VN管導(dǎo)通，VP管工作在放大區(qū)，輸出趨于低電平EF段VN管導(dǎo)通，VP管截止，輸出低電平3.4.3

CMOS反相器129CMOS器件的電源電壓從3V到18V都能正常工作。3.4.3

CMOS反相器130（2）COMS反相器的電流傳輸特性電流傳輸特性：漏極電流iD隨輸入電壓vI的變化而變化的關(guān)系曲線。3.4.3

CMOS反相器1313.4.4

CMOS與非門及或非門1.

CMOS與非門MOS管導(dǎo)通條件：|VGS|>|VTH|與非門真值表1323.4.4

CMOS與非門及或非門2.

CMOS或非門或非門真值表1333.4.5

CMOS傳輸門和雙向模擬開關(guān)1.

CMOS傳輸門設(shè)輸入信號(hào)vI在0V～VDD之間變化，VTN+|